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家庭联网的技术前瞻与挑战分析 |
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作者：颜健 唐晓琪 |
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家庭联网是指将家庭中各种家电或数字设备联成一个网络，实现互连互通和资源共享。这将为用户带来许多全新的体验，例如通过电视上网冲浪，在家庭音响上播放MP3音频文件，将数码相机拍摄的图片以无线方式上传到PC，在电视上播放视频或图片，无线打印，等等(参考图1)。 
图1：在数字家庭中，各种电脑和家电设备通过家庭网络连接起来并协同工作，
为用户提供一种“随时，随地，使用任一设备访问和欣赏任何内容”的全新应用体验。
家庭联网已经被视为大势所趋，让我们来看看一个联网家庭将涉及哪些连接技术。
作为一个家庭网络，它首先需要有一个出口与外部的互联网相连。现有的家庭宽带连接技术包括DSL、以太网、光纤到户、有线电缆等。另外，电力线上网也可以为住宅提供宽带连接，该技术目前正处在积极发展之中。上述这几种方式都是有线的连接技术。未来，WiMax将可为住宅提供无线的宽带连接，从而让偏远住处的用户可以摆脱线缆的束缚。其次，是家庭设备内部的互连，主要用于传输数据和音视频。这方面可以利用的有线技术包括以太网、1394、USB等，可以利用的无线技术有WiFi、新兴的超宽带(UWB)等。
再次，是一些外围和终端设备与其他设备的连接，例如手机与PC的连接，鼠标、键盘、打印机与PC的连接等。这类应用往往使用低速率的无线技术，如红外、蓝牙、ZigBee以及一些专有的2.4GHz通信技术。
由于市场上存在如此多不同的连接技术，所以当制造商在设计一台数字家庭设备时首先要考虑选用哪种合适的传输技术。这取决于各种因素，如成本、速率、通信范围、功耗、安全性、共存问题等。
从应用和设备需求的角度考虑，科胜讯公司无线数据和联网器件业务部行销副总裁Peter Kempf认为，家庭中所有移动或便携设备应该利用无线的802.11x技术。对于固定设备，今天的两个主要选择是以太网和HomePlug。“如果设备靠近住宅网关或路由器，以太网是更方便的选择。”他说，“如果设备远离路由器(如数字电视)，HomePlug，特别是200Mbps以上的HomePlug AV将成为更方便的选择。”HomePlug的独特优势在于使设备可以通过电源插座上网，因此终端用户不必在房间中另外布线。
TI的观点与之类似。该公司DSP部门技术战略总监Tom Flanagan认为将有两类技术统治家庭联网应用。首先是以太网，它将用于几乎所有固定设备；另一种将是某种形式的无线接口。802.11b/g/n将被广泛用于通用连网的目的，而UWB将在需要非常高带宽的场合找到用武之地。
当选择WiFi后，还需考虑采用何种具体的标准。Marvell公司从功耗谈论了这个问题。“对于电池供电设备，802.11g是更合适的解决方案，因为它消耗更少的功率。”该公司WLAN产品经理James Chen表示，“如果是连到照明用电的设备，我们建议看看应用。采用802.11n可以更好地适应高速应用，如传输视频流。”
现阶段，由于无线技术提供的带宽不够以及成本过高，许多家庭设备仍使用以太网等有线技术，只有一些新兴设备如数字媒体中心等已经开始使用WiFi等无线传输技术。可以预见，一段时间内有线与无线连接技术将在家庭网络中共存。随着未来无线技术的成熟，越来越多的家庭设备将使用无线连接，从而让用户彻底摆脱线缆的束缚。
除了连接方式从有线转向无线外，家庭联网的另一个重要趋势是带宽将不断增长，以满足视频流应用的需求。例如，从机顶盒向电视传送1068×1024分辨率的高清节目可能需要80Mbps的数据率，这就要依赖更新的传输标准，如802.11n、UWB和Homeplug AV等。
图2：不同无线技术的比较。
视频流传输带来的挑战
随着媒体中心、DVD、机顶盒与PC以无线方式互连，视频流传输将成为一个重要挑战。为了帮助中国OEM应对这种挑战，科汇推出了一种用于连接DVD与TV的无线媒体适配器。它采用802.11a/g技术，由与DVD连接的发射设备和与TV连接的接收设备组成。科汇之所以开发这样一款设备是因为目前整机制造商对于在设备中添加无线功能还处于观望状态。
在工作中，DVD的解码码流需要经过压缩后由射频发射出来，相应地，接收端要在解码后再把节目传递给TV。这其中包含两次解码，既繁琐又浪费处理资源。与通过外置设备来发送视频流相比，如果把WiFi功能集成到DVD中，那么DVD可以直接将原始压缩数据发射给接收端，从而免除中间不必要的编解码过程。因此，我们可以认为该款无线媒体适配器是数字家庭的一种雏形设备。
“现在科汇把它设计成独立设备，是为了让整机厂商可以提供现成产品给用户购买。”吴志伟表示，“无线功能以后一定会整合到TV等设备中。”不久后，我们也许可以看到制造商在销售DVD时同时搭售这种无线媒体适配器。
根据表1所示，发送DVD码流需要6-8Mbps的带宽。尽管802.11a/g的最大速率是54Mbps，但这是在理想环境下；在现实中，由于墙壁的阻隔和干扰的存在，802.11a/g要应付这种速率的传输依然比较吃力。因此，带宽是一个主要挑战，而且未来将变得更严重。
例如，现在的家庭普遍有2-3台电视，如果为每台电视配一台机顶盒，势必造成资源浪费。为此，业界要设法让一台机顶盒支持多台电视。这有两种模式：一种是广播模式，STB只发射一个频道供所有电视收看，这种方法简单易行，但限制了用户的选择；另一种是允许用户选择不同频道的模式，这要求STB在一个信道中传输多套节目。“传送一个模拟频道需要20Mbps的带宽，2个频道就需要40Mbps。”吴志伟说。对带宽的增长需求还来自下一代电视标准，例如DTV需要30Mbps，HDTV更需要80Mbps。此外，随着HD-DVD的推出，它也需要更大的无线带宽。
针对视频流传输带来的挑战，科胜讯的Peter Kempf认为：“关键就是要提供足够的带宽，并把服务质量(QoS)集成到系统中。”挑战也意味着机遇，有两种无线技术将就此应用展开竞争。正在拟定中的802.11n预计将把WiFi速率从54Mbps提高到100Mbps以上，以满足多媒体的传输要求。UWB可以提供480Mbps的最大速率，也瞄准高清视频流的传输应用。
表1：家庭多媒体应用对QoS的要求。
802.11n还解决了802.11a/b/g缺少QoS的问题。为了解决802.11标准中的QoS问题，802.11e中加入了频宽、流量管理机制，让影音传输能即时、定量，从而使多媒体应用保持顺畅，Wi-Fi联盟将此称为WMM(Wi-Fi Multimedia)。Marvell公司产品经理James Chen认为：“WMM为QoS提供了很好的保障。”总之，整合了802.11e的802.11n不仅具有QoS，还能够提供足够高的带宽，可以满足视频流的传播要求。
与Wi-Fi相比， UWB从设计开始就关注了QoS，而且UWB的高吞吐量(2米内高达480Mbps，10米范围仍可达到110Mbps)也能够帮助其保持传输品质。飞思卡尔半导体香港有限公司无线和移动系统部无线产品部市场经理Victor Kwong很看好UWB在家庭网络中的应用。针对DS-UWB与MBOA两个阵营的争执，他表示：“UWB论坛已经提议利用公共信令模式(CSM)来解决不同UWB物理层的和平共存问题，这将保证QoS和吞吐量。”包含CSM的UWB设备与那些仅支持单一UWB技术的设备相比，不仅应用范围将更广，而且可以使可升级的UWB设备具有互操作性，同时防止与其它UWB设备之间产生不必要的干扰。
除上述无线技术外，科胜讯的Peter认为用于家庭联网的电力线技术，也能满足高清视频流的传输。最新的电力线标准HomePlug AV传输速度已经达到了200Mbps；为了确保QoS，HomePlug AV采用了时分多路访问(TDMA)与带有冲突检测机能的载体侦听多路访问(CSMA)协议，两者结合，能够很好地传输流媒体。
什么会成为数字家庭的中心？
随着各种设备都联入家庭网络，哪种设备将成为数字家庭的中心是目前业界争论的焦点。现有的三种设备正在竞争成为数字家庭的中心：PC、机顶盒和住宅网关。科胜讯公司无线数据和联网器件业务部行销副总裁Peter Kempf认为，最有可能的情况是所有三种设备将共存在数字家庭中，每类设备分别控制特定的服务和应用。例如，PC可用于数据、图片和音频；STB可用于视频；而住宅网关则用于宽带和语音。
凭借强大的处理和联网能力，PC理所当然是家庭媒体中心的有利候选者，但为了更好地迎合家庭用户的需求，PC的形态正在发生演变。例如，英特尔正在力推娱乐PC成为数字家庭的核心设备。英特尔最近提出了“10英尺应用”的概念，即把在PC上可以享受到的娱乐转移到客厅中的电视或者娱乐PC上。10英尺运营的模式有两种：一种是本地模式，另一种是远端模式。在本地模式，PC联接的是电视或者16：9的娱乐PC；远端模式是先通过有线/无线方式连接到数字媒体适配器(DMA)，再连接到电视上去。10英尺应用可以使得消费者在客厅享受PC的娱乐，包括文字处理、游戏、网络音乐、IPTV等。
类似地，为了满足家庭用户的易用性要求，TI在第十届IIC展览会上提出了分离式电脑平台的概念。它包括两个部分：一边是台式PC，一边是一台四方形的I/O Hub，两者通过PCI-Express卡相连。TI将传统的PC外设功能都拿出来做到了这个I/O Hub中，包括DVD光驱、USB端口、1394接口、CardBus/PCICIA插槽、闪存媒体读卡器等。简化后的PC主机可以降价到2-3千元。传统上，台式机的插口都在机箱后面，不方便用户插拔，而通过这样做就可以把所有东西都搬到桌面上。此外，这个概念使用户在更换PC时不用更换外设，节省了成本。
除了PC，机顶盒和住宅网关都有机会成为家庭网络的中心。但究竟哪种设备将胜出，大多数厂商认为是不确定的。Marvell公司的James表示不同的市场有不同的需求:一种选择是机顶盒，它通过WiFi将家庭中的设备连接起来；另一种途径是通过一种消费类电子设备来连接家庭网络，如PC。“一种解决方案将不能满足所有需求，所以两种方法将各有市场。”他说。
TI公司的Flanagan认为数字家庭的中心将是可以连接所有设备的住宅网关，但他补充说：“TI也认识到有多种设备可以充当特定内容的网关：一种设备用于个人内容，如家庭视频和图片；一种设备用于高价值内容，如需要数字版权管理(DRM)的商业视频和音乐。关键是要有一个合理的用户界面，让消费者可以方便地找到并播放所需的内容。”
此外，一些新兴的数字家庭设备，如数字媒体适配器(DMA)、媒体中心、媒体服务器等也有机会成为数字家庭的中心。不少半导体供应商和分销商正在积极开发这类设备的参考设计。例如，Marvell正在推广数字媒体适配器的解决方案，它放在起居室，用于连接PC/媒体服务器，然后在TV上播放音视频。这款DMA充当接入点(AP)可以连接TV、打印机、DVD和音箱等设备。它是专门针对数字家庭开发的，采用UpnP AV协议，用于兼容其它媒体设备；它还支持数字媒体格式要求的所有DLNA，并支持DHCP，可以方便连接到家庭网络。
世平集团最近推出了一款媒体中心的参考设计。该公司表示，这是一款由PC演变过来、形态和功能基本上是PC架构的产品。世平集团认为，媒体中心必须具备几项条件：1、WLAN；2、PC的功能；3、远程遥控；4、7声道音频；5、TV调谐卡；6、DVD-R功能。该媒体中心实现了TV与手持设备的同步功能，例如可以把PDA播放的内容同步到TV上播放。
值得重点关注的是，该媒体中心采用了微软将于2005年下半年正式发布的Media Center Edition(MCE)操作系统，其与PC操作系统的关键区别在于：它是通过遥控器来操作的。这是因为数字家庭设备的操作必须非常简单，以满足普通用户的需求。
MCE2005使得用户不但可以体会计算平台，还可以有最好的娱乐体验。该版本具有Windows XP 2的所有功能，并集成了新的功能，包括：1）数字媒体特性；2）10英尺界面、家庭娱乐平台；3）定义了HDTV、DVD等高端AV体验；4）连接体验，比如来电显示等；5）即时连接功能。
世平集团表示，未来这种媒体中心还可以集成机顶盒的功能。这暗示，今后的数字家庭中心可能是一种融合设备。科汇(Memec)公司亚太区产品经理吴志伟认为，STB、媒体中心、住宅网关都有可能成为数字家庭的中心，而未来这些功能会整合到一个设备。
硬件架构的变化
我们知道，传统家电(如TV等)大都是独立设备，并采用专有硬件。随着它们成为家庭网络的一员，这些设备本身的形态正在发生演变，如出现了IPTV，IP机顶盒等新的概念。前述的PC也是一个例子。相应地，这些设备的内部硬件架构也将发生变化。
TI的DSP小组技术战略负责人Tom Flanagan认为：“最大的变化是大多数消费类电子设备将基于可编程平台，并具备联网功能。” 以数字媒体市场为例，目前存在各种音视频编码标准，而这给产品制造商在选择上造成困惑。这种情况下，就要求产品能够随时升级，以应对各种现存和新兴的编码标准。可编程提供的灵活性使这些设备能够操作许多类型不同格式的内容，包括视频、音频和图片。
将WLAN功能整合进消费电子产品也是今后的主要发展趋势。目前的解决方案依靠主系统来提供WLAN所需的处理能力，但某些产品并不具备这种能力，即使硬件平台具有足够的处理能力，WLAN协议处理、安全和QoS等功能也需要占用越来越多的主处理能力。为了确保设备具有足够的性能，Marvell最新的802.11a/g/b解决方案88w8385芯片嵌入了一颗CPU和足够的片上存储器，可以卸载传统CPU的处理负担。无线联网意味着需要在设备中添加RF部分，对于没有相关设计经验的传统家电制造商来说，这是一个不可轻视的挑战。“最关键的因素是RF PCB布局和生产测试，”Freescale的Victor表示。他认为有两种解决途径：一是采用半导体供应商将提供的参考设计；二是求助于第三方模块制造商，他们能帮助解决RF设计问题，使白家电制造商不必雇佣RF工程师和购买昂贵的RF测试设备。科胜讯的Peter推崇后一种方法，他说：“采用来自无线ODM的现成模块对于白家电制造商来说是最好的方法。这允许他们利用现有提供商的经验，并快速进入市场。”
最后，随着未来家庭中的联网设备达到数十个，甚至上百个，如何对它们进行协调和控制将成为一个极大的挑战。“诸如UPnP和DLNA等软件协议将在管理这些功能方面发挥关键作用。”Peter说。为了解决不同厂家设备间的可互操作性、现有设备和未来设备的可协同工作性以及数字版权管理等问题，英特尔现在正和其他公司一起进行积极的工作，促进各种设计指导方针和规范的制定和实施，详见表2。
表2：数字家庭标准与规范。
硬件架构的变化
我们知道，传统家电(如TV等)大都是独立设备，并采用专有硬件。随着它们成为家庭网络的一员，这些设备本身的形态正在发生演变，如出现了IPTV，IP机顶盒等新的概念。前述的PC也是一个例子。相应地，这些设备的内部硬件架构也将发生变化。
TI的DSP小组技术战略负责人Tom Flanagan认为：“最大的变化是大多数消费类电子设备将基于可编程平台，并具备联网功能。” 以数字媒体市场为例，目前存在各种音视频编码标准，而这给产品制造商在选择上造成困惑。这种情况下，就要求产品能够随时升级，以应对各种现存和新兴的编码标准。可编程提供的灵活性使这些设备能够操作许多类型不同格式的内容，包括视频、音频和图片。
将WLAN功能整合进消费电子产品也是今后的主要发展趋势。目前的解决方案依靠主系统来提供WLAN所需的处理能力，但某些产品并不具备这种能力，即使硬件平台具有足够的处理能力，WLAN协议处理、安全和QoS等功能也需要占用越来越多的主处理能力。为了确保设备具有足够的性能，Marvell最新的802.11a/g/b解决方案88w8385芯片嵌入了一颗CPU和足够的片上存储器，可以卸载传统CPU的处理负担。无线联网意味着需要在设备中添加RF部分，对于没有相关设计经验的传统家电制造商来说，这是一个不可轻视的挑战。“最关键的因素是RF PCB布局和生产测试，”Freescale的Victor表示。他认为有两种解决途径：一是采用半导体供应商将提供的参考设计；二是求助于第三方模块制造商，他们能帮助解决RF设计问题，使白家电制造商不必雇佣RF工程师和购买昂贵的RF测试设备。科胜讯的Peter推崇后一种方法，他说：“采用来自无线ODM的现成模块对于白家电制造商来说是最好的方法。这允许他们利用现有提供商的经验，并快速进入市场。”
最后，随着未来家庭中的联网设备达到数十个，甚至上百个，如何对它们进行协调和控制将成为一个极大的挑战。“诸如UPnP和DLNA等软件协议将在管理这些功能方面发挥关键作用。”Peter说。为了解决不同厂家设备间的可互操作性、现有设备和未来设备的可协同工作性以及数字版权管理等问题，英特尔现在正和其他公司一起进行积极的工作，促进各种设计指导方针和规范的制定和实施，详见表2。
ZigBee和蓝牙在家庭网络中的应用
短距离无线通信技术具有低成本、低功耗等特点，适合用于外围设备和手持终端与其他主机设备的连接。家庭联网的发展将为它们提供新的机遇。例如，分销商世健系统公司推出一款瞄准家庭应用的蓝牙HiFi适配器，可以将主设备输出的HiFi音频由DSP压缩成MP3格式，再发射出去。用户可以在家庭音箱设置接收端或用耳机收听。
Freescale的Victor认为：“像ZigBee和蓝牙这样的低速率无线技术将加速家庭网络的发展。”
Freescale的商用无线系统运营经理Brett Black介绍说，ZigBee的数据传输速率在2.4GHz下为250kbps，其传输范围主要取决于功率和环境，介于10到75米之间，典型应用为30米左右。
Black表示，Zigbee具有省电、安全可靠、高度扩展且成本低等优点。ZigBee共有三种网络结构，分别为静态和动态星形、网状和集群树形。网络架构具备主/从属性，可实现双向通信。在非工作时间，从设备总是处于睡眠状态。对时间要求严格的应用可以使从设备在15ms内由睡眠状态激活，而新设备的搜索时间仅为30ms。“ZigBee十分省电，利用电池可支持长达6个月到2年左右的使用时间。”Black说。
目前，ZigBee在家庭网络中最主要的作用是远程监测和控制，应用领域包括室内照明和空调系统控制、家电遥控、无线计算机外设(无线鼠标、键盘等)、安全监控、烟雾或CO2监测等。
ZigBee的MAC层采用了talk-when-ready碰撞避免机制，当有数据传送需求时则立即发送数据，每个发送的数据封包都由接收方确认收到，并回复确认信息，若没有得到确认回复则表示发生了碰撞，数据会再传一次，以此提高系统信息传输的可靠度。
Zigbee网络具有很强的扩展功能，由于使用了64位IEEE地址和16位短地址，Zigbee最终的网络大小可以达到2^64个节点，远远超出了用户的使用要求，如果选用本地寻址方式，1个Zigbee网络理论上可以容纳65,536(2^16)个节点。
Black介绍，Zigbee网络采用了三种设备类型，一种是网络协调器，持有全部网络信息，是三种设备中最复杂的部分，需要存储和计算能力；第二是全功能设备(FFD)，支持所有的802.15.4功能标准制定的参数。可以作为网络协调器使用。附加的存储和计算功能使得它很适合作为网络路由器或者是网络边界设备；第三个削减功能设备(RFD)的功能受到限制，通常作为网络边界设备。一般情况下，FFD需要16－20KB的ROM，而RFD则只需要12-16KB的ROM。
Black表示，Freescale目前针对Zigbee提供一站式解决方案，包括射频收发器、MCU、传感器、MAC软件、Z-Stack Zigbee软件以及灵活的开发套件。MC13193 Evaluation Kit(13193EVK-A00)是Freescale为Zigbee平台增加的最新硬件工具，除包含两个传感器应用参考(SARD)板卡以及三个评估板卡(EVB)外，还提供了必需的软件协议堆栈和样例应用，用以设计一系列2.4GHz联网解决方案。
面临的障碍
联网的数字家庭是一个美好的前景，但将面临一些障碍。TI的Flanagan表示，数字家庭取得成功的四大基础是高质量的服务、安全框架、互操作性和易用性。
Marvell的James认为：“易用性是最关键的一点。如果技术太复杂，日常消费者将不愿使用它们。”为此，Marvell正在提供一种AutoLink技术，可以使设备更容易、更快速地完成设置。例如，当用户购买了一款新的手机，只需按几个按钮，AutoLink就可以帮助他们完成与机顶盒的WiFi连接。
另外，随着更多信息和设备加入家庭网络，网络的安全需求不断增长,这也是消费者特别关心的问题之一。世平集团的吴志伟举例说，当用户以无线方式(如WiFi)把DVD码流发送到TV时，一个问题是隔壁的邻居有可能可以截获此码流，从而暴露用户的隐私。
目前，领先的连网技术已经集成了最低水平的安全机制，例如802.11i、HomePlug AV和ZigBee都支持AES加密。Marvell指出，802.11i包含的WPA2安全标准是美国CIA和FBI使用的加密技术。
TI、Airgo等厂商认为，技术不是问题，真正的问题是大多数用户对安全风险和如何配置技术缺乏了解，从而让许多家庭网络处于不安全的状态。因此，业界的挑战是使这些安全措施更容易被终端用户实现和使用。
业界必须教育用户，但也必须使这些安全措施变得更简单，以方便用户使用这些强大的安全功能。这也是Marvell在所有它的家庭联网解决方案中配置AutoLink技术的另一个重要原因。AutoLink技术在用户第一次开启设备时就可以自动设置使设备是安全的。
在安全方面，另一个常见的问题是2个或更多的网络互相干扰，Freescale的Victor表示。目前，大多数高级的无线网络标准已经仔细考虑这个问题。例如，为了避免在2.4GHz公用频段的干扰，Zigbee采用了与Wi-Fi一样的直接序列扩频(DSSS)技术，采用偏移正交相位位移键控调试方法，以化整为零方式，将一个讯号分为多个讯号，再经由编码方式传送讯号避免干扰。不过，笔者曾在第十届IIC展览会的现场看到某家公司的802.11g模块因为受到蓝牙以及其它专有2.4GHz信号的干扰而无法正常工作，最后该公司不得不立刻更换为工作在5GHz的802.11a模块。这表明，随着WiFi、WiMax、蓝牙、UWB、ZigBee等无线技术涌入家庭，业界不得不切实解决干扰问题。
与此同时，内容被认为是数字家庭起飞的关键。James表示：“业界需要提供更多数量的杀手极应用以吸引消费者。同时，内容供应商和消费电子制造商也应该积极推动新技术的发展并为数字家庭提供新一代的产品和服务。”另一方面，要让服务提供商能够放心地允许用户在家庭网络中传播内容，业界必须齐心解决数字版权管理的难题。
最后是成本。各种无线技术的应用、处理能力的增强以及转向平板显示器等都显著增加了家庭设备的成本。Freescale 的Victor认为：“成本将是影响数字家庭中无线网络设备增长的关键因素。”虽然意识到易用性和成本是阻碍数字家庭发展的最大障碍，但科胜讯的Peter乐观地表示：“随着最新网络技术的发展，数字家庭网络的发展前途会一片光明。” (end)
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(6/17/2005) |
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